《铁道车辆电工电子基础》-任务12

１２.１直流稳压电源的一般框图单相工频正弦交流电经电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压。直流稳压电源的一般框图如图１２－１所示，框图中各部分的作用介绍如下：１．电源变压器电网上提供的单相正弦交流电为２２０Ｖ，频率为５０Ｈｚ，而直流稳压电源所需的电压较低，电源变压器就是将交流电源电压ｕ１变换为整流电路所需要的二次交流电压ｕ２。２．整流电路利用整流二极管的单向导电性将二次交流电ｕ２变换为单一方向的脉动直流电。在电路分析时，常将二极管视为理想二极管，即正向导通时压降为零，反向截止时电流为零。下一页返回１２.１直流稳压电源的一般框图

３．滤波电路由波形图可见，整流后的电压仍含有较大的交流成分。滤波电路能进一步滤除单向脉动直流电的交流成分，保留直流成分，使电压波形变得平滑，从而提高直流电源的质量。常用滤波器件有电容器和电感器。４．稳压电路稳压电路能在电网电压波动或负载发生变化（负载电流变化）时，通过电路内部的自动调节，维持稳压电源直流输出电压基本不变，即保证输出直流电压得以稳定。稳压器件有稳压二极管或三极管作电压调整管，以及各种集成稳压器件。上一页返回１２.２单相半波整流电路在小功率直流稳压电源中，常用单相半波整流电路和单相桥式整流电路来实现整流，单相桥式整流电路用得最为普遍。为了简单起见，分析计算整流电路时把二极管当作理想元件来处理，即认为二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。１．电路组成图１２－２所示为单相半波整流电路，其中Ｔ为电源变压器，二极管ＶＤ与负载电阻ＲＬ串联接在二次交流电压ｕ２上（电路中忽略了电源变压器Ｔ和二极管ＶＤ构成的等效总内阻）。２．工作原理设变压器二次交流电压为下一页返回１２.２单相半波整流电路

式中ｕ２———电源变压器二次交流电压有效值；ω———交流电压角频率ω＝２πｆ，工频ｆ＝５０Ｈｚ。当ｕｏ为正半周时，即ａ为正、ｂ为负，二极管因承受正向电压而导通，电流ｉＤ从ａ流出，经二极管ＶＤ和负载电阻ＲＬ回到ｂ点。忽略二极管的正向压降，则负载输出电压ｕｏ等于ｕ２，即上一页下一页返回１２.２单相半波整流电路

３．直流输出电压和输出电流如图１２－３所示，负载上得到的是大小变化的单向脉动直流输出电压，可用一个周期内的电压平均值来表示。上一页下一页返回１２.２单相半波整流电路

４．整流元件的选择上一页返回１２.３单相桥式整流电路12.3.1电路组成图１２－４所示为单相桥式整流电路，在图中四只整流二极管接成桥式。ｕ２和ＲＬ的连接位置不能互换，否则ｕ２就会被二极管ＶＤ１—ＶＤ４或ＶＤ３—ＶＤ２短路。图１２－４给出了单相桥式整流电路的三种不同画法。通常将四只二极管组合在一起做成四线封装的桥式整流器（或称“桥堆”），四条外引线中有两条交流输入引线（有交流标志），有两条直流输出引线（有＋、－标志）。12.3.2工作原理１．桥式整流电路的工作原理桥式整流电路的工作原理可结合波形图１２－５来分析。下一页返回１２.３单相桥式整流电路２．直流输出电压和输出电流上一页下一页返回１２.３单相桥式整流电路12.3.3整流元件的选择１．最大整流电流ＩＦＭ由图１２－６可见，流经每只二极管的电流ＩＤ是负载电流Ｉｏ的一半，即实际选ＩＦＭ大于ＩＤ的一倍左右，并取标称值。２．最大反向工作电压ＵＲＭ由图１２－６可见，加在截止二极管上的最大反向电压就是ｕ２的最大值即上一页下一页返回１２.３单相桥式整流电路为安全起见，实际选ＵＲＭ大于一倍左右，并取标称值。单相桥式整流的优点是输出电压脉动小、输出电压高、电源变压器利用率高，因此桥式整流电路得到广泛的应用。上一页返回１２.４单相半控桥式整流电路１．工作原理图１２－７（ａ）所示的是单相半控桥式整流电路，其中四个整流元件有两个是晶闸管，故称为半控桥式。在ｕ２的正半周（设ａ正ｂ负），晶闸管Ｖ１处于正向电压下，Ｖ２处于反向电压下。如果在正半周内，控制极始终未加触发电压，晶闸管就一直不会导通，负载电压ｕｏ＝０。如在ωｔ１时刻给控制极加触发电压ｕｇ，晶闸管Ｖ１就导通，电流由电源ａ端→Ｖ１→ＲＬ→ＶＤ４→电源ｂ端，若忽略Ｖ１、ＶＤ４的管压降，负载电压ｕｏ与电压ｕ２相等，极性为上正下负。下一页返回１２.４单相半控桥式整流电路在ｕ２负半周（设ａ负ｂ正），晶闸管Ｖ２处于正向电压下，Ｖ１管处于反向电压下。在ωｔ２时刻给控制极加触发电压ｕｇ，晶闸管Ｖ２就导通，电流由电源ｂ端→Ｖ２→ＲＬ→ＶＤ３→电源ａ端。负载电压ｕｏ的大小和极性与正半周相等。Ｖ２在第２个周期内，电路重复上述过程，其电压波形如图１２－７（ｂ）所示。２．输出直流电压和电流的计算由图１２－７（ｂ）可见，半控桥式整流电路的直流输出电压平均值是半波可控整流的２倍，即负载上流过的电流平均值为上一页下一页返回１２.４单相半控桥式整流电路３．晶闸管元件的选择由工作原理和电压波形可知，晶闸管和整流二极管承受的最大正、负电压均为再考虑安全系数１.５～２倍，可使晶闸管能安全工作。流过晶闸管的电流为负载电流平均值的一半：ＩＦ＝１／２ＩＬ。上一页返回１２.５三相桥式整流电路当整流负载容量较大，或要求直流电压的脉动要小、易滤波，或要求快速控制时，应采用三相整流装置。为研究问题方便，假定是在理想情况下，即（１）整流电路的直流电路中，负载具有足够大的电感；（２）硅整流管的管压降忽略不计；（３）交流发电机三相绕组的电感和电阻都忽略不计。其三相电压是对称的且为正弦波形。下一页返回１２.５三相桥式整流电路

三相桥式整流电路的工作原理可用图１２－８说明，图中ＵＡＯ、ＵＢＯ、ＵＣＯ为交流发电机三相绕组相电压，它是按正弦波形规律变化的电压的相位差为１２０°电角度。设各相电压波形的关系是：上一页返回１２.６滤波电路分析单相桥式整流电路的直流输出电压中仍含有较大的交流分量，用来作为电镀、电解等对脉动要求不高的场合的供电电源还可以，但作为电子仪表、电视机、计算机、自动控制设备等场合的电源，就会出现问题，这些设备都需要脉动相当小的平滑直流电源。因此，必须在整流电路与负载之间加接滤波器，如电感或电容元件构成的滤波电路，利用它们对不同频率的交流量具有不同电抗的特点，使负载上的输出直流分量尽可能大，交流分量尽可能小，能对输出电压起到平滑作用。下一页返回１２.６滤波电路分析

12.6.1电容滤波电路１．单相半波整流电容滤波电路（１）电路组成。单相半波整流电容滤波电路如图１２－１０所示。由图１２－１０可见，该电路与单相半波整流电路比较，就是在负载两端并联了一只较大的电容器Ｃ（几百～几千微法电解电容）。（２）工作原理。电容滤波的工作原理可用电容器Ｃ的充放电过程来说明，如图１２－１１所示。上一页下一页返回１２.６滤波电路分析

若单相半波整流电路中不接滤波电容器Ｃ，输出电压波形如图１２－１１中ｕ′ｏ所示；当接电容器Ｃ后，直流输出电压的波形如图１２－１１中ｕｏ所示。设电容Ｃ初始电压为零，当ｕ２正半周到来时，二极管ＶＤ正偏导通，一方面给负载提供电流，同时对电容Ｃ充电。忽略电源变压器Ｔ和二极管构成的等效总内阻，电容Ｃ充电时间常数近似为零，充电电压ｕＣ随电源电压ｕ２升到峰值ｍ点。而后ｕ２按正弦规律下降，此时ｕ２＜ｕＣ，二极管承受反向电压由导通变为截止，电容Ｃ对负载ＲＬ放电。上一页下一页返回１２.６滤波电路分析

当ｕ２在负半周时，二极管截止，电容Ｃ继续对负载ＲＬ放电，ｕＣ按放电时的指数规律下降，放电时间常数τ＝ＲＬＣ一般较大，ｕＣ下降较慢，负载中仍有电流流过。当ｕＣ下降到图１２－１１中的ｎ点后，交流电源已进入到下一个周期的正半周，当ｕ２上升且ｕ２＞ｕＣ时，二极管再次导通，电容器Ｃ再次充电，电路重复上述过程。由于电容Ｃ与负载ＲＬ直接并联，输出电压ｕｏ就是电容电压ｕＣ。则加电容滤波后不仅输出电压脉动减小、波形趋于平滑，纹波电压减小，而且输出直流电压平均值ｕｏ升高。上一页下一页返回１２.６滤波电路分析

２．直流输出电压和输出电流由滤波后的输出电压波形可见，当电容Ｃ一定时，负载ＲＬ越大，放电时间常数τ＝ＲＬＣ越大，放电越慢，直流输出电压越平滑，Ｕｏ值越大。在负载开路时（即ＲＬ＝＋∞，Ｉｏ＝０），如果ｕ２＜ｕＣ，二极管处在截止状态，则电容Ｃ无处可放电，所以Ｕｏ＝２Ｕ２≈１.４１Ｕ２。负载增大时（即ＲＬ减小，Ｉｏ增大），τ减小，放电加快，Ｕｏ值减小，Ｕｏ的最小值为０.４５ｕ２。半波整流电容电路输出外特性。与无电容滤波时相比，该种电路的外特性较软，带负载能力差。所以，单相半波整流电容滤波电路只用于负载电流Ｉｏ较小且变化不大的场合。为取得良好的滤波效果，工程上一般取：上一页下一页返回１２.６滤波电路分析

二次交流电源ｕ２的周期则可认为放电时间常数τ足够大，这时直流输出电压平均值可按经验公式估算为输出电流平均值Ｉｏ为上一页下一页返回１２.６滤波电路分析

３．元件的选择（１）整流二极管。最大整流电流ＩＦＭ：流经二极管的平均电流ＩＤ等于负载电流Ｉｏ。因加接电容Ｃ后，二极管的导通时间缩短（即导通角θ＜π），且放电时间常数τ越大，θ角越小。又因电容滤波后输出电压增大，使负载电流ＩＯ增大，则ＩＤ增大，但θ角却减小，所以流过二极管的最大电流要远大于平均电流ＩＤ，二极管电流在很短时间内形成浪涌现象，易损坏二极管。上一页下一页返回１２.６滤波电路分析

实际选用二极管时应选：上一页下一页返回１２.６滤波电路分析

12.6.2电感滤波电路电感滤波电路如图１２－１３（ａ）所示，电感滤波电路中电感Ｌ与ＲＬ串联。利用线圈中的自感电动势总是阻碍电流“变化”原理来抑制脉动直流电流中的交流成分，其直流分量则由于电感近似短路而全部加到ＲＬ上，输出变得平滑。电感Ｌ越大，滤波效果越好。输出电压波形如图１２－１３（ｂ）所示。若忽略电感线圈的电阻，即电感线圈无直流压降，则输出电压平均值为上一页下一页返回１２.６滤波电路分析

电感滤波的优点是Ｉｏ增大时，Ｕｏ减小较少，具有硬的外特性。电感滤波主要用于电容滤波难以胜任的负载电流大且负载经常变动的场合。如电力机车滤波电路中的电抗器。电感滤波因体积大、笨重，在小功率电子设备中不常用（常用电阻Ｒ替代）。12.6.3复式滤波电路滤波的目的是将整流后电压中脉动成分滤掉，使输出波形更平滑。电容滤波和电感滤波各有优点，两者配合使用组成复式滤波器，滤波效果会更好。构成复式滤波器的原则是：和负载串联的电感或电阻承担的脉动压降要大，而直流压降要小；和负载并联的电容分担的脉动电流要大，而直流电流要小。图１２－１４所示为常见的几种复式滤波器。上一页返回下一页１２.６滤波电路分析１．Г形滤波电路如图１２－１４（ａ）所示，将电容和电感两者组合，先由电感进行滤波，再经电容滤波。其特点是输出电流大，负载能力强，滤波效果好，适用于负载电流大且负载变动大的场合。２．ＬＣπ形滤波电路如图１２－１４（ｂ）所示，在Г形滤波前再并一个电容滤波，因电容Ｃ１、Ｃ２对交流的容抗很小，而电感对交流阻抗很大，所以负载上纹波很小。设计时应使电感的感抗比Ｃ２的容抗大得多，使交流成分绝大多数降在电感Ｌ上，负载上的交流成分很少。而电感对直流近似为短路，输出直流电压平均值为上一页下一页返回１２.６滤波电路分析上一页返回这种电路特点是输出电压高，滤波效果好，主要适用于负载电流较大而又要求电压脉动小的场合。３．阻容π形滤波电路其电路如图１２－１４（ｃ）所示，它相当于在电容滤波电路Ｃ１后再加上一级ＲＣ２低通滤波电路。Ｒ对交、直流均有降压作用，与电容配合后，脉动交流分量主要降在电阻上，使输出脉动较小。而直流分量因ＲＬ≫Ｒ，主要降在ＲＬ上。Ｒ、Ｃ２越大，滤波效果越好。但Ｒ太大将使直流成分损失太大，输出电压将降低，所以要合适选择电阻值。这种电路结构简单，主要适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动很小的场合。１２.７线性集成稳压器12.7.1Ｗ７８００、Ｗ７９００系列三端固定输出集成稳压器１．Ｗ７８００、Ｗ７９００内部电路框图和系列型号所谓线性集成稳压器就是把调整管、取样电路、基准电压、比较放大器、保护电路、启动电路等全部制作在一块半导体芯片上。Ｗ７８００系列三端固定输出集成稳压器内部电路框图如图１２－１５所示，它属于串联型稳压电路，与典型的串联型稳压电路相比，除了增加了启动电路和保护电路外，其余部分与前述的电路一样。启动电路能帮助稳压器快速建立输出电压。它的保护电路比较完善，有过流保护、过压保护和过热保护等。下一页返回１２.７线性集成稳压器

图１２－１６所示为三端固定输出集成稳压器的外形和框图。封装形式有金属、塑料封装两种形式。集成稳压器一般有输入端、输出端和公共端三个接线端，故也称为三端集成稳压器。三端固定输出集成稳压器通用产品有Ｗ７８００（正电压输出）和Ｗ７９００（负电压输出）两个系列，它们的输出电压有５Ｖ、６Ｖ、９Ｖ、１２Ｖ、１５Ｖ、１８Ｖ、２４Ｖ七个挡次，型号后面的两个数字表示输出电压的值。输出电流分三挡，以７８（或７９）后的字母来区分，用Ｍ表示０.５Ａ、用Ｌ表示０.１Ａ、无字母表示１.５Ａ。例如，Ｗ７８０５，表示输出电压为５Ｖ、最大输出电流为１.５Ａ；如Ｗ７８Ｍ１５表示输出电压为１５Ｖ、最大输出电流为０.５Ａ；又如Ｗ７９Ｌ０６，表示输出电压为－６Ｖ，最大输出电流为０.１Ａ。上一页下一页返回１２.７线性集成稳压器

使用时要注意管脚作用及编号，不能接错。集成稳压器接在整流滤波电路之后，最高输入电压为３５Ｖ，一般输入电压Ｕｉ比输出电压Ｕｏ大，稳压器的输入、输出间的电压差最小在２～３Ｖ。２．固定输出集成稳压器应用１）固定输出电压的稳压电路图１２－１７（ａ）所示为固定正电压输出电路，图１２－１７（ｂ）所示为固定负电压输出电路。电路输出电压Ｕｏ和输出电流Ｉｏ的大小决定于所选的稳压器型号。上一页下一页返回１２.７线性集成稳压器

图１２－１７中Ｃｉ用于抵消输入接线较长时的电感效应，防止电路产生自激振荡，同时还可消除电源输入端的高频干扰，通常取０.３３μＦ。Ｃｏ用于消除输出电压的高频噪声，改善负载的瞬态响应，即在负载电流变化时不至于引起输出电压的较大波动，通常取０.１μＦ。２）固定输出正、负电压的稳压电路将Ｗ７９００与Ｗ７８００相配合，可以得到正、负电压输出的稳压电源，如图１２－１８所示，图中电源变压器二次电压ｕ２１与ｕ２２对称，均为２４Ｖ，中点接地。ＶＤ５、ＶＤ６为保护二极管，用来防止稳压器输入端短路时输出电容向稳压器放电而损坏稳压器。上一页下一页返回１２.７线性集成稳压器

ＶＤ７、ＶＤ８也是保护二极管，正常工作处于截止状态，若Ｗ７９００的输入端未接入输入电压，Ｗ７８００的输出电压通过负载ＲＬ接到Ｗ７９００的输出端，使ＶＤ８导通，从而使Ｗ７９００的输出电压钳位在０.７Ｖ，避免其损坏，ＶＤ７的作用同理。电路中采用Ｗ７８Ｍ１５和Ｗ７９Ｍ１５，使输出获得正、负１５Ｖ的电压。３）扩大输出电流的稳压电路当负载所需的电流大于的集成稳压器的输出电流时，可采用外接功率管ＶＴ的方法来扩大输出电流，如图１２－１９所示，图中ＶＴ和ＶＤ同为硅管，它们的管压降相等，则ＩＥＲ１＝ＩＤ２Ｒ２。在忽略ＶＴ的基极电流时，ＩＣ≈ＩＥ，Ｉ′ｏ≈ＩＤ２，这时可得：上一页下一页返回１２.７线性集成稳压器

可见只要适当选择Ｒ２与Ｒ１的比值，就可使电路的输出电流Ｉ′ｏ比集成稳压器的输出电流倍。４）提高输出电压的稳压电路当负载所需的电压大于集成稳压器的输出电压时，可采用外接元件的方法来提高输出电压，如图１２－２０所示，图中Ｕ′ｏ为集成稳压器的输出电压，ＩＷ是稳压器的静态电流，约几个毫安。Ｒ１上的电压即为Ｕ′ｏ，此时输出电压可表示为上一页下一页返回１２.７线性集成稳压器

可见只要适当选择Ｒ２与Ｒ１的比值，就可提高输出电压。据原理将Ｒ２改成可调电阻，电路还可变成输出电压可调的稳压电路。12.7.2Ｗ３１７、Ｗ３３７系列三端可调输出集成稳压器三端可调输出集成稳压器是在Ｗ７８００、Ｗ７９００的基础上发展而来，它有输入端、输出端和电压调整端ＡＤＪ三个接线端子。图１２－２１所示为Ｗ３１７、Ｗ３３７系列三端可调输出集成稳压器的外形和框图。三端可调输出集成稳压器典型产品有Ｗ１１７、Ｗ２１７和Ｗ３１７系列，它们为正电压输出；负电压输出有Ｗ１３７、Ｗ２３７和Ｗ３３７系列。上一页下一页返回１２.７线性集成稳压器

Ｗ１１７、Ｗ２１７和Ｗ３１７系列的内部电路基本相同，仅是工作温度不同。１—军品级，金属外壳或陶瓷封装，工作温度范围－５５℃~１５０℃；２—工业品级，封装形式与军品级相同，工作温度范围－２５℃~１５０℃；３—工业品级，多为塑料封装，工作温度范围０℃~１２５℃。输出电流也分三挡，Ｌ系列为０.１Ａ、Ｍ系列为０.５Ａ、无字母表示１.５Ａ。三端可调输出集成稳压器的输入电压在２～４０Ｖ变化时，电路均能正常工作。集